【正文】 術(shù)日臻成熟，使得機(jī)器人有了更進(jìn)一步的發(fā)展，產(chǎn)生了有力覺(jué)視覺(jué)的機(jī)器人并隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了智能機(jī)器人 ，智能機(jī)器人的產(chǎn)生為機(jī)器人工業(yè)的發(fā)展提出了一個(gè)更新的發(fā)展方向，為今后機(jī)器人工業(yè)的發(fā)展指明了方向。為此，必須規(guī)范性類似人類感覺(jué)傳感器（如觸覺(jué)傳感器、視覺(jué)傳感器、測(cè)距傳感器等，）、發(fā)展式 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 傳感器的信息融合技術(shù)，通過(guò)各種傳感器得到關(guān)于工作對(duì)象的外部環(huán)境的信息，以及信息為中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)、規(guī)劃的資料，以完成模式，用“專家系統(tǒng)”等智能系統(tǒng)進(jìn)行問(wèn)題求解，動(dòng)作規(guī)劃。缺點(diǎn)是占據(jù)空間大而相應(yīng)的工作范圍較小。待實(shí)現(xiàn)的工作空間大都為矩形空間。 感覺(jué)性是指手指對(duì)工件的控制能力定位精度等。自由體關(guān)節(jié)本體分為指根和指尖兩部分比較復(fù)雜。哪下表所示它們各自有特點(diǎn)： 表 31 兩種機(jī)器人性能對(duì)比表 類型 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 門(mén)式直角坐標(biāo)機(jī)器人 可承受較大載荷，結(jié)構(gòu)穩(wěn) 定 占據(jù)空間大 懸臂式破解坐標(biāo)機(jī)器人 使用靈活方便，占據(jù)空間小 具有懸臂梁結(jié)構(gòu)除第一根軸安裝在基礎(chǔ)上外其余各軸行程不易過(guò)長(zhǎng) 鑒于此，選擇了其中一種即門(mén)式直角坐標(biāo)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。經(jīng)驗(yàn)表明，如果采用單邊驅(qū)動(dòng)方式，則相鄰自由度跨度之比小于 3∶ 1。它與一些典型環(huán)節(jié)進(jìn)行適當(dāng)組合，就可以構(gòu)成不同用途的伺服系統(tǒng)和解算元件。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃： 由于直線導(dǎo)軌的運(yùn)行距離較長(zhǎng)，做拋物線 — 直線 — 拋物線形式的軌跡規(guī)劃。 滾動(dòng)軸承的選擇 在選擇軸承時(shí)，首先要選擇軸承類型，可以根據(jù)常用標(biāo)準(zhǔn)軸承的基本特點(diǎn)進(jìn)行選擇，同時(shí)在選擇軸承時(shí)還要考慮以下主要因素。 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)： （ 1）手部的工作范圍較大。 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置的選擇 機(jī)械手采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)械手需要垂直安裝，同上述計(jì)算可知，傳動(dòng)的力矩為，在綜合考慮其它因素的影響，取電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩 ，選擇交流伺服電動(dòng)機(jī)，60CB 系列，其型號(hào)為： 60CB020C,功率 200W,轉(zhuǎn)矩 機(jī)械手其它部件的選擇 機(jī)械手絲桿主要受力為軸向力。 對(duì)于二、三自由度連接螺栓 mmd ? ，取 M8 螺栓可滿足要求。24` 螺紋升角2arctan dSπλ ? 其中： S— 導(dǎo)程（ mm） ,這時(shí)取單線，則 S=P=2mm 經(jīng)計(jì)算可得螺紋升角λ =1176。 [9] 機(jī)器人拖鏈的選擇 機(jī)器人采用 PFP 系列拖鏈。 [7] 第一、二自由度 的受力主要由徑向的壓力引起的摩擦力，因此，選擇凹形對(duì)稱 V 形導(dǎo)軌，其有導(dǎo)向精度高，磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償，易保存潤(rùn)滑油，高低速均可采用的特點(diǎn)。在系統(tǒng)中作用功率放大元件 低速電動(dòng)機(jī) 不需齒輪減速，每分鐘公僅可轉(zhuǎn)數(shù)十轉(zhuǎn)?？刂齐姍C(jī)與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基本工件原理沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別，但普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)著重于對(duì)起動(dòng)和運(yùn)行狀態(tài)力能指標(biāo)的要求， 而控制電機(jī)則著重于特性的高精度和快速響應(yīng)。對(duì)于門(mén)式直角坐標(biāo)機(jī)器人，采用單邊驅(qū)動(dòng)的方式。其中包括各零部件形狀以及主要設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇。驅(qū)軸支點(diǎn)為一個(gè)的，稱為單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，為兩個(gè)的，稱雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型。 例如 ，廣泛使用的二指手爪，在抓取水平旋轉(zhuǎn)的圓棒工件時(shí)，手指只對(duì)圓棒半徑方向進(jìn)行約束，而軸向約束是借助手指與圓棒工件之間的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。第一、二自由度結(jié)構(gòu)相似利于制造 加工 。工業(yè)機(jī)器人不像人一樣，容易受精神和 心理因素的影響，它不會(huì)因?yàn)榫o張、馬虎、疲勞或視覺(jué)差等原因引起失誤。 ②注意研究新型機(jī)器人結(jié)構(gòu)。 70 年代隨著計(jì)算機(jī)和人工智能的發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入實(shí)用化時(shí)代。如果在成本統(tǒng)計(jì)中將質(zhì)量因素考慮在內(nèi)，應(yīng)用機(jī)器人的成本將比它的實(shí)際下降快得多。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 I 頁(yè) 直角坐標(biāo)機(jī)器人 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要 隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，不但使傳統(tǒng)工業(yè)的生產(chǎn)發(fā)生了根本性的變化，而且也對(duì)人類社會(huì)的生產(chǎn)產(chǎn)生了重大的影響。由于機(jī)器人作業(yè)變得愈加有效，而勞動(dòng)力成本不斷升高，因此工業(yè)中越來(lái)越多的作業(yè)更適合于應(yīng)用機(jī)器人自動(dòng)化。日本雖起步較晚，但結(jié)合國(guó)情，面向中小企業(yè)，采取了一系列鼓勵(lì)使用機(jī)器人的措施，其機(jī)器人擁有量很快超過(guò)了美國(guó) ，一舉成為 “機(jī)器人王國(guó) ”。隨著工業(yè)機(jī)器人作業(yè)精度的 提 高 、 作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜化，應(yīng)開(kāi)發(fā)新型微動(dòng)機(jī)構(gòu)保證動(dòng)作精度，開(kāi)發(fā)多關(guān)節(jié)、多自由度的手臂和手指，研制新型的機(jī)構(gòu)等以適應(yīng)復(fù)雜作業(yè)的需要。 ④機(jī)器人的通用性靈活性好，能滿足產(chǎn)品品種迅速變化的要求，更重要的是對(duì)產(chǎn)品品種多樣化，而且是層出不窮，不斷發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展工業(yè)機(jī)器人得到了更為廣泛的應(yīng)用，特別是直角坐標(biāo)機(jī)器人在數(shù)控加工中心中應(yīng)用十分廣泛，它已經(jīng)成 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 為自動(dòng)化生產(chǎn)的重要組成總部分。如果施加一個(gè)較大的軸向外力，工件就可能從手指中滑落出去。這種手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形狀小巧，但夾持不同工 件 會(huì)產(chǎn)生定位誤差。為了使讀者更好的了解直角坐標(biāo)機(jī)器人的 結(jié)構(gòu)，依據(jù) 實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程為主線來(lái)安排本章的結(jié)構(gòu)。 直角坐標(biāo)機(jī)器人外形尺寸的確定 在設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)的參數(shù)為 。 控制電機(jī)的輸出功率一般較小，通常從數(shù)百毫瓦到數(shù)百瓦，系列產(chǎn)品的機(jī)殼外徑一般由 到 130mm，重量從數(shù)十克到數(shù)千克，這類電機(jī)也稱微電機(jī)或微控電機(jī)。其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，起動(dòng)、停止快。V 形導(dǎo)軌的尺寸為 B=20， b=2，α =90176。其主要參數(shù)如下：內(nèi)腔尺寸： 15 30 外腔尺寸 20 30彎曲半徑 28。55` 這里λ 8176。 部件 質(zhì)量 機(jī)械手及負(fù)載 20kg 第二自由度及負(fù)載 70kg 第三自由度及負(fù)載 100kg 部件 質(zhì)量 機(jī)械手及負(fù)載 18kg 第二自由度及負(fù)載 56kg 第三自由度及負(fù)載 71kg 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 29 頁(yè) 對(duì)于第三自由度和機(jī)械手連接螺栓 mmd ? ，取 M8 可。 （ 4）螺桿強(qiáng)度計(jì)算 231221 )(3)4( dTdF ?? πσ 其中： T— 傳遞轉(zhuǎn)矩（ Nm）， `)ta n (2 2 ρλ ?? FdT = ? — 當(dāng)量應(yīng)力（ MPa）， 將各參數(shù)代入上式可得? =，查表 [10， ]得 53][ ?? sσσ 計(jì)算得 [? ]=11871（ MPa） ,? [? ]滿足 要求， 經(jīng)過(guò)上述的計(jì)算可知，選用的絲 桿 可滿足要求，絲 桿 長(zhǎng)度為 40mm。 其它部件的設(shè)計(jì) 其它部件都已經(jīng)給出圖紙，可按照?qǐng)D紙加工，其中技術(shù)要求在 圖中已注明。第三自由 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁(yè) 度采用兩根微型直線導(dǎo)軌。在系統(tǒng)中可作為直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載的執(zhí)行元件 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁(yè) （ 3）慣性力矩 GT aMmG tJnT 30π? 其中： MJ — 折合到電動(dòng)機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； mn — 電動(dòng)機(jī)當(dāng)量轉(zhuǎn)速； at — 加速時(shí)間； 折合轉(zhuǎn)動(dòng)慣量按下式計(jì)算： 22 ）ω（）ωω（ mjimiimM VmJJJ ????? 其中： mJ — 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； iJ — 各轉(zhuǎn)動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； iω— 各轉(zhuǎn)動(dòng)件角速度； im — 各直線運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量； jV — 各直線運(yùn)動(dòng)件的速度； 由上式可得到，外載荷產(chǎn)生的摩擦力矩 FT =；絲杠副預(yù)緊力摩擦力摩擦力矩0T =；其中 68310 ?? aa FF ；第三自由度總負(fù)載估算 20kg； at 的確定需要作軌跡規(guī)劃。 [5] 控制電機(jī)已成為現(xiàn)代機(jī)電一體化的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)以及軍事裝備中必不可少的重要元件。所以第一自由度的跨度為 800mm,第二自由度的跨度為 300mm。一種是門(mén)式直角坐標(biāo)機(jī)器人，另一種是臂式直角坐標(biāo)機(jī)器人。無(wú)關(guān)節(jié)指是一個(gè)平指構(gòu)件，固定關(guān)節(jié) 是 指本件是一個(gè)具有固定彎曲角度的構(gòu)件，一般成折線狀。 操作性是指手爪能夠抓取的物件的幾何特性，包括極限尺寸形狀以及在抓取不同形式圓棒時(shí)能否保持同一中心線的 同心特性。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 二 直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作 原理 實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的 基本 原理 直角坐標(biāo)機(jī)器人的主要功能就是能夠使得末端執(zhí)行器到達(dá)空間指定位置。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的發(fā)展情況 直角坐標(biāo)機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人的一種 ， 它已經(jīng)廣泛的 應(yīng)用 于自動(dòng)化生產(chǎn)中，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)直觀性強(qiáng)，坐標(biāo)方向位置精度容易控制，漂浮物精度較高；制造安裝高速方便，容易實(shí)現(xiàn)數(shù) 字 控制。在多品種，小批量生產(chǎn)的柔 性自由行自動(dòng)化生技術(shù)中，要求工業(yè)機(jī)器人對(duì)外部環(huán)境和對(duì)象物體有處適應(yīng)能力，具有一定的“智能”，機(jī)器人的智能化是批機(jī)器人具有感覺(jué)、知覺(jué)等，既有很強(qiáng)的檢測(cè)功能的判斷功能。使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)與控制更加的準(zhǔn)確穩(wěn)定。其次是非經(jīng)濟(jì)因素造成的，隨著機(jī)器人作業(yè)能力的增強(qiáng)，它們可以完成更加危險(xiǎn)或不可能完成的工作。目前，許多國(guó)家的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)得到很好的發(fā)展，我國(guó)也在進(jìn)行深入的研究和開(kāi)發(fā)。在 20 世紀(jì) 90 年代的十年間，機(jī)器人價(jià)格降低而勞動(dòng)力成本增加。 1954 年美國(guó)戴沃爾發(fā)表了 “通用重復(fù)型機(jī)器人 ”的專利論文，首次提出 “工業(yè)機(jī)器人 ”的概念； 1958 年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)數(shù)控工業(yè)機(jī)器人原型； 1959 年美國(guó) UNIMATION 公司推出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。 （ 3） 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) ①機(jī)器人朝著標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。 ②機(jī)器人能持久，耐勞，可以把人從繁重單調(diào)的環(huán)境中解脫出來(lái)，并能擴(kuò)展和延伸人的功能。 本文研究的主要內(nèi)容 本文以一種門(mén)式直角坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)計(jì)為主線，來(lái)研究直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作原理、結(jié)構(gòu)形式。而這些又決定手部的抓取機(jī)能，即約束性 、 操作性和 感覺(jué) 性。但 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 這種手指的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，體積大，要求加工精度高。至于具體尺寸以及其它的設(shè)計(jì)計(jì)算問(wèn)題將在下第三章中詳細(xì)說(shuō)明 。隨著步進(jìn) 、伺服電機(jī)的發(fā)展，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)逐漸體現(xiàn)出它的優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)力源簡(jiǎn)單 、 維護(hù) 使用 方便又便于與計(jì)算機(jī)對(duì)接，能實(shí)現(xiàn)精確控制。 2） 不發(fā)生共振臨界轉(zhuǎn)速校核： ）（ρπ min/L30 22 22 rKAEJfncc? 式中 E— 材料的拉、壓彈性模量，鋼的 ；211 / mNE ?? J— 絲杠軸最小截面慣性矩（ 4m ）； 4264dJ π? A— 絲杠軸最小截面面積； ）（π 2224 mdA? cL — 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度（ m）； ρ — 材料密度鋼的 ）（ρ 33 /107 .8 mkg?? ； 2K — 安全 系數(shù)，取 2K =； 將 E、 J、 A、ρ、 2K 的值代入 ）（ρπ min/L30 2222 rKAEJfn cc ?得 ）（ m in/L9 91 0 2 222 rdfncc? 其中：查表 38 得： 2f =， 由滾珠絲杠副參數(shù)知：絲杠螺紋底徑 ?d mm 臨界轉(zhuǎn)速長(zhǎng)度： 600?cL mm 經(jīng)計(jì)算得 5107? ， maxnnc ? 符合要求 表 38 支撐方式系數(shù) 3） 臨界壓縮載荷校核： 不發(fā)生失穩(wěn)的最 大壓縮載荷，以 cF 表示，按歐拉公式計(jì)算 ）（π NKLEJfFc 12021? 支撐方式 一端固定一端自由 一端固定一端游動(dòng) 兩端固定 1f 2f 適應(yīng)范圍 低速短軸垂直安裝 中速、較高精度 高速、高精度、高剛度 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁(yè) 式中 E、 J、 2d — 含義同上； 0L — 最大受壓長(zhǎng)度（ m）； 1f — 絲杠支承方式系數(shù)； 1K — 安全系數(shù)，取 1K =31 ； 將 E、 J、 1K 、π的值代入上式可簡(jiǎn)化得 ）（ NLdfFc 20 ?? 其中：查表 38 得： 2f =， 由滾珠絲杠副參數(shù)知：絲杠螺紋底徑